Экспериментальное определение параметров процесса сушки плодов в инфракрасной сушильной камере с ламповыми источниками излучения

 

Применение инфракрасных (ИК) сушильных камер в условиях предприятий сельскохозяйственного производства, а также курортных, гостиничных и ресторанных комплексов позволяет получать в необходимом количестве высококачественные продукты питания и полуфабрикаты длительного срока хранения. Такими продуктами являются сушеные овощи, фрукты, мясо, твердые сыры, рыба. Инфракрасная сушка обеспечивает сохранность в продукте всех биологически ценных веществ исходного сырья, высокие вкусовые и органолептические свойства (цвет, запах). Характерными для инфракрасной сушки являются низкие энергетические затраты на осуществление процесса и конструктивная простота устройств сушки.

В данной статье приведены результаты экспериментального исследования параметров процесса сушки в инфракрасной сушильной камере с ламповыми источниками излучения [1]. Сушильная камера (см. рис.1) представляет собой рабочий объем, в котором установлена этажерка лотков с продуктом сушки. Источниками энергии для процесса сушки служат ламповые излучатели, размещенные по бокам рабочего объема. В состав излучателя входят источник излучения и отражатель, направляющий поток излучения на поверхность лотка. В верхней части камеры установлен вытяжной вентилятор, а в нижней – окна для забора воздуха, оснащенные противопылевыми бумажными фильтрами.

	1 – источник излучения; 2 – сетчатый лоток с продуктом сушки; 3 – устройство забора воздуха; 4 – вытяжной вентилятор; 5 – отражатель.
Рис.1. ИК сушильная камера

В качестве источников излучения в ИК камерах используют нагретые тела. В устройствах небольшой (до 20КВт) мощности широкое распространение получили источники электрического нагрева, поверхность которых – керамические или композитные материалы, обладающие селективным излучением, спектр которого близок к спектру излучения воды. Такая близость спектров должна обеспечить высокую эффективность использования излучаемой энергии для осуществления процесса испарения. Температура поверхности таких источников излучения находится в пределах 800-1200К и ограничивается температурной стойкостью нагревательного элемента – спирали, выполненной из тугоплавкого стойкого к коррозии металла [2]. В качестве источников излучения применяют также ламповые, в которых нагревательными элементом и излучающей поверхностью одновременно служит вольфрамовая спираль, нагретая до температуры около 3000К. Спираль размещена в герметичной газонаполненной стеклянной колбе, имеющей либо сферическую, либо цилиндрическую форму [3]. Спектр излучения вольфрамовой спирали близок к спектру излучения абсолютно черного тела [4].

Для выяснения целесообразности использования того или иного типа источника излучения нами выполнен сравнительный анализ энергетического баланса источника излучения. При анализе принято допущение, что источники являются серыми, то есть излучают во всем диапазоне электромагнитного излучения подобно абсолютно черному телу в соответствии с законом Планка [4]. Для процесса сушки продуктов питания (удаления из продукта воды) наиболее эффективным является излучение в диапазоне волн, характерном для излучения/поглощения атомами воды. Таким диапазоном является интервал 1-5мкм [5], то есть при анализе источников излучения следует сравнивать их мощность излучения в этом диапазоне длин волн.

В условиях применения инфракрасный источник излучения находится в состоянии сложного лучисто-конвективно-кондуктивного теплообмена с окружающей средой. Существенное отличие теплового состояния трубчатых источников излучения от ламповых заключается в том, что у трубчатого источника поток излучения определяется температурой его поверхности, а у лампового – температурой спирали. Температура поверхности лампового источника (колбы) существенно ниже температуры спирали [6]. Кроме того, из-за более низкой температуры поверхности трубчатого источника по сравнению с температурой спирали для достижения необходимой тепловой мощности излучения следует увеличивать площадь излучающей поверхности. Это приводит к росту конвективной и кондуктивной составляющих теплообмена источника излучения, являющихся паразитными для излучателя инфракрасной сушильной камеры.

На рис.2 приведены расчетные зависимости коэффициента эффективности использования источника излучения Кη при различных температурах относительно лампового источника с температурой 3000К.

Результаты расчетов Кη показывают, что ощутимых преимуществ по доле лучистого теплового потока не имеют ни трубчатые, ни ламповые источники излучения. Существенно повысить долю лучистого потока для трубчатых источников может увеличение степени черноты поверхности излучающего материала трубки, в частности, с помощью покрытий, имеющих высокую степень черноты.

 

1 – ламповый источник при степени черноты ε=0,5; 2 – трубчатый источник при ε=0,5; 3 – трубчатый источник при ε=0,75.

Рис.2. Коэффициент эффективности использования источника излучения при различных температурах.

В свою очередь ламповые источники обладают высокой долей мощности излучения в области длин волн менее 1мкм (до 25% от полной мощности излучения). Вследствие процессов рассеяния и поглощения эта часть энергии излучения также может участвовать в процессе испарения влаги [7].

Высокие энергетические показатели при малых габаритах ламповых источников излучения существенно облегчают задачу пространственного управления потоками излучения в рабочем объеме сушильной камеры, а их низкая тепловая инерция позволяет управлять тепловой нагрузкой в процессе сушки. Поэтому для реализации процесса сушки мы отдали предпочтение ламповым источникам излучения.

Экспериментальное исследование процесса ИК сушки ламповыми источниками излучения выполнено в лабораторной сушильной камере (см. рис. 3) рабочим объемом 0,2м3. В камере установлены два сетчатых лотка 1 (рис. 3) размером 950х300 мм, каждый из которых облучается двумя излучателями 3, содержащими по 3 линейные лампы накаливания J78 электрической мощностью 100Вт [3].

	1 – лоток; 2 – контрольный лоток; 3 – ИК излучатель; 4 – вытяжной вентилятор; 5 – весы; 6 – термопары; 7 – преобразователь влажности.
Рис. 3. Схема экспериментальной ИК сушильной установки.

На верхней стенке камеры установлены два осевых вентилятора 4 максимальной производительностью 50 м3/ч. Скорость вращения вентилятора может плавно изменяться с помощью тиристорного регулятора.

Передняя и задняя стенки имеют возможность перемещаться вверх, открывая щель для подачи атмосферного воздуха в камеру. Ширина щели – 1000 мм, высота от 0 до 50 мм.

В процессе сушки измерению подлежат температура и влажность воздуха в рабочем объеме, температура и масса продукта сушки на лотках.

Измерения выполнены с использованием измерительно-информационного комплекса (см. рис.4). Рабочий диапазон измерений температуры - 0-300°С, относительной влажности воздуха - 0-100%, массы – 0…2000г. Разрешающая способность, соответственно - 0,1°С, 0,1% влажности и 0,1г. Погрешность измерения температуры - ±1,5°С, влажности - 2%, массы - ±0,5г.

ПК – персональный компьютер (процессор Intel Celeron 1000) со специализированным программным обеспечением; весы лабораторные Axis BD 2000/0,1; ИТ-8ТП-RS – контроллер, восьмиканальный измеритель температуры; ДВ-05-RS - резистивный преобразователь влажности воздуха со встроенным контроллером; ТХА - 8 преобразователей температуры типа хромель-алюмель; RS-485/232 - адаптер для подключения приборов к ПК.

Рис. 4. Схема измерительно-информационного комплекса.

Термопары устанавливались на входе и выходе воздуха из камеры, а также в продукте сушки на лотках (рис. 3). Преобразователь влажности воздуха располагался на верхней стенке камеры в защитном теплоизолированном коробе. Весы были установлены на верхней стенке камеры. Платформа весов через отверстия в стенке была связана с контрольным лотком в камере.

Экспериментальные данные передавались на ПК с интервалом 30с и регистрировались специализированным программным обеспечением.

Процесс сушки осуществляли по программе: 1) сушка с вентиляцией камеры (скорость обмена воздуха 25 м3/ч); 2) охлаждение продукта при отключенных излучателях (скорость обмена воздуха 25 м3/ч). Тепловая нагрузка в процессе сушки была постоянной и для различных циклов сушки составляла – 0,4 кВт, 0,8 кВт, 1,2 кВт. Изменение тепловой нагрузки осуществляли отключением части ламп излучателей.

Продукт сушки - яблоки нарезанные ломтиками толщиной 5 мм.

Общее время сушки ломтиков яблок составляет 6 часов. Из них 5 часов длится сушка и 1 час – охлаждение. Готовый продукт теряет в массе 70%.

На рис. 5 приведен пример временного протокола регистрации температуры в камере.

Температура в рабочем объеме в процессе сушки не превышает 32°С, а влажность изменяется в пределах 26-70% (см. рис.5). Температура плодов в процессе сушки не превышает 30°С.

Степень обезвоживания продукта сушки в различных зонах лотков и на различных лотках практически одинакова, различия в потере массы не превышают 5%. Плоды после сушки сохраняют свой цвет и запах. Поверхность сушеного продукта не имеет потемнений, характерных для конвективного способа сушки.

Рис. 5. Временной протокол регистрации температуры.

Энергетические затраты на процесс сушки яблок составляют 4,4∙106 Дж/кг (1,24 КВт×час/кг испаренной влаги).

Полученные зависимости показывают, что температура воздуха на выходе из камеры находится на уровне средней температуры продукта сушки и составляет 27±3 ◦С. Разность между температурой на входе и на выходе из камеры составляет не более 10 ◦С, что обеспечивает высокую экономичность режима сушки.

Литература

1. Патент на корисну модель №39987 «Сушильний пристрій»/ Завалій О. О., Янович І. В., та ін.

2. Излучатели керамические. Эл. источник. Режим доступа: http://www. elcеr. com. ua/.

3.Лампы накаливания зеркальные. Эл. источник. Режим доступа: http://www. electro-mpo. ru/catalog-cgroupe103.html

4. Р. Зигель, Дж. Хауэлл. Теплообмен излучением. М.: Мир. Пер. с англ. под ред. д-ра техн. наук Хрусталева Б. А., 1975. – 934с.

5. Юхневич Г. В. Инфракрасная спектроскопия воды. М.: Наука, 1973. – 211с.

6. Орлов В. М. Генераторы лучистой мощности. Л.: Ленинградский электротехнический институт им. В. И.Ульянова (Ленина), 1960. – 277с.

7. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: Учеб. пособ.: Для вузов. В 10 т. Т VIII. - Электродинамика сплошных сред. – 4 изд.; стереот. –М.: Физматлит, 2005. – 656с.

Завалий А. А., к. т.н., доцент, Янович И. В., ассистент

Кафедра технологического оборудования перерабатывающих предприятий и компьютерных систем управления ЮФ «КАТУ» НАУУ